1.介紹
UCC28700 是一款恒壓、恒流反激式控制器，無需使用光耦合器便可實(shí)現(xiàn)一次側(cè)穩(wěn)壓。圖 1 是 UCC28700 的應(yīng)用電路。
圖 1：UCC28700 應(yīng)用電路
在圖 1 中：
lRSTR 是高電壓?jiǎn)?dòng)電阻；
lCDD 是 VDD 引腳上的蓄能電容器；
lRS1 是高側(cè)反饋電阻；
lRS2 是低側(cè)反饋電阻；
lRCBC 是可編程線纜補(bǔ)償電阻；
lRCS 是初級(jí)峰值電流編程電阻；
lRLC 是 MOSFET 關(guān)斷延遲的補(bǔ)償編程電阻。
初級(jí)峰值電流是 UCC28700 在恒流滿負(fù)載條件下啟動(dòng)的一個(gè)重要因素。接下來將我們將進(jìn)行詳細(xì)分析。
2.分析
圖 2 是 UCC28700 的二次側(cè)電路，IS=IC+IL。如果在啟動(dòng)開始時(shí) UCC28700 器件的負(fù)載是電阻，則 VO 會(huì)從零上升，而且 IL 已經(jīng)足夠低了，無需高 Is。但如果該器件的負(fù)載是恒流，而且負(fù)載電流較大，就需要高 IS 來使 IC 保持為正，以縮短輸出電壓從 0 上升到 VOCC 所需的時(shí)間。VOCC 是最低目標(biāo)轉(zhuǎn)換器輸出電壓，它會(huì)讓輔助匝電壓等于 VDD引腳上的 UVLO 關(guān)斷電壓。
圖 2：UCC28700 二次側(cè)電路
對(duì)于 CDD、CO 和變壓器而言，可提供下列等式。等式 4 中提供了 1mA 的電流裕度。
注：NP 是變壓器的一次匝數(shù)，NS 是二次匝數(shù)，NA 是輔助匝數(shù)。
其中：
lVDD(off) 是 UVLO 關(guān)斷電壓。
lVDD(on) 是 UVLO 開啟電壓。
lIrun 是 UCC28700 工作時(shí) VDD 引腳上的電源電流。
lVDD 是 CDD 電壓。
lΔVDD 是 CDD 上降低的電壓。
lta 是輸出電壓從 0 上升到 VOCC 時(shí)所用的時(shí)間。
根據(jù)上述等式，如果 IS值為低，IC 就將為小，因此輸出電壓上升到 VOCC 所需的時(shí)間 ta 就會(huì)較長(zhǎng)。但在這段時(shí)間里，VDD可能會(huì)下降至 VDD(off)以下，而且 UCC28700 器件可能會(huì)進(jìn)入 UVLO 狀態(tài)，停止開關(guān)。隨后通過 RSTR 的電流可為 CDD 充電。在 VDD比 VDD(on)高時(shí)，該器件會(huì)重新啟動(dòng)。盡管故障啟動(dòng)會(huì)繼續(xù)，但 UCC28700 器件無法進(jìn)入正常狀態(tài)。
在等式 4 中，如果 CDD 足夠大，ΔVDD 對(duì)于特定 ta而言將為小。因此，大容量 CDD 值和高初級(jí)峰值電流會(huì)讓 UCC28700 順利啟動(dòng)。但是，大容量 CDD 值意味著較高價(jià)格和較大尺寸，而且高初級(jí)峰值電流會(huì)增大功耗及變壓器尺寸。因此選擇 CDD 和初級(jí)峰值電流需要進(jìn)行權(quán)衡。
在正常工作中，VDD 由輔助繞組電壓決定。如果 VO 達(dá)到其最大值，VDD 也會(huì)達(dá)到其最大值。該關(guān)系如等式 6 所示。
從等式 2、3 和 6 可以看出，如果 NA 增大，ta 就會(huì)減少，這將有利于 UCC28700 的啟動(dòng)。因此 NA 也應(yīng)該選擇較大值，同時(shí)還必須為 VDD 提供電壓裕度。
3.設(shè)計(jì)
除 CDD 和 RCS 之外，所有器件值都與 UCC28700EVM-068 5-W USB適配器 [1]原理圖一樣。圖 3 摘自 UCC28700 產(chǎn)品說明書[2]。IS可使用等式 7 計(jì)算，這里 ηXFMR 是估計(jì)的變壓器效率。
變壓器效率受鐵芯及繞組損耗、漏感比以及偏置功率與額定輸出功率之比的影響。以一個(gè) 5V、1A 的充電器為例，1.5% 的偏置功率是良好的估算值[1]。90% 的整體變壓器效率是約略估計(jì)，其中包括 3.5% 的漏感、5% 的鐵芯損耗及繞組損耗以及 1.5% 的偏置功率[1]。
最大初級(jí)峰值電流 IPP 出現(xiàn)在啟動(dòng)開始的時(shí)候，隨即 UCC28700 器件會(huì)進(jìn)入恒流調(diào)節(jié)狀態(tài)，保持 0.425 的恒定二次二極管導(dǎo)通占空比。
該變壓器是 EVM 上的WE 750312723，NP/NS = 15.33、NP/NA = 3.83，飽和電流為440mA。
圖 3：變壓器電流
在啟動(dòng)開始時(shí)，輸出電容器的平均充電電流為正值，充電電流等于 (IS-IL)，如等式 1 所示。在 VO 上升至 VOCC 之前，輔助匝電壓低于 VDD，此時(shí) CDD 無法通過輔助匝充電。但在此期間，CDD 會(huì)被 Irun 和柵極驅(qū)動(dòng)電流放電。如果 VDD 低于 VDD(off)，UCC28700 器件就會(huì)關(guān)斷。為確保器件順利啟動(dòng)，在 ta 內(nèi) VDD 必須大于 VDD(off)。在等式 8 和等式 9 中，應(yīng)用了一個(gè)臨界條件。Tstart 是 VO 從 0 上升至 VOCC 的時(shí)間。等式 2 是 VOCC 和 VDD(off) 的關(guān)系。在等式 8 中，有 1mA 的估計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電流，而且為 VDD 添加了 1V 的裕度。VCST 是芯片選擇閾值電壓。在啟動(dòng)開始時(shí)，UCC28700 VS 引腳上的電壓為低，因此 VCST 保持其最大值。
如表 1 所示，UCC28700 器件有更好的恒流 (CC) 調(diào)整性能，更高的最大工作頻率，其可最大限度縮小解決方案尺寸。待機(jī)功耗不足 30mW，符合五星評(píng)級(jí)要求。更高的最大 VDD，可縮小 VDD 電容器值。在表 1 中突出顯示的三種產(chǎn)品中，UCC28700 器件是設(shè)計(jì) 5V 適配器的最佳選擇。UCC28700 器件可選擇更高的 NA/NS，因?yàn)楦鶕?jù)等式 2，它具有更高的最大 VDD，可實(shí)現(xiàn)更短的 tstart（見等式 9）。在等式 8 中，tstart 與 CDD 成正比，因此在設(shè)計(jì)中需要較小的 CDD。
表 1：參數(shù)比較表
|
產(chǎn)品型號(hào) |
UCC28700 |
OB2520M |
iW1680 |
|
CV（恒壓） |
5% |
5% |
0 |
|
CC（恒流） |
5% |
6% |
0 |
|
最大工作效率 |
130 kHz |
100 kHz |
72kHz |
|
待機(jī)功耗 |
<30 mW |
<200 mW |
<30mW |
|
最大 VDD |
38V |
28V |
25V |
4.實(shí)驗(yàn)
為驗(yàn)證上述分析，我們使用了一款 UCC28700EVM-068 5-W USB適配器。除了 CDD 和 RCS 外，所有器件值均保持不變，CDD=4.7μF、RCS=1.8Ω。負(fù)載為恒定電流 1A。
圖 4 是 UCC28700 的啟動(dòng)波形，CH1 是 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，CH3 是輸出電壓。該器件啟動(dòng)順暢，沒有過沖和聲頻噪聲。該圖顯示，UCC28700 器件有非常好的啟動(dòng)性能。在圖 4 中，tstart 接近 18ms，與計(jì)算結(jié)果吻合。
圖 4：UCC28700 啟動(dòng)波形
圖 5、圖 6 和圖 7 是比較性實(shí)驗(yàn)。CH1 是 VDD 電壓，CH3 是輸出電壓。
l在圖 5 中，CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω：由于初級(jí)峰值電流不夠大，VDD 下降到 VDD(off) 之下，因此 UCC28700 器件無法啟動(dòng)。
l在圖 6 中，CDD=4.7μF，RCS=1.8Ω：初級(jí)峰值電流增大，因此能觀察到良好的啟動(dòng)性能。
l在圖 7 中，CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω：UCC28700 器件無法啟動(dòng)，因?yàn)?CDD 的容量不足以提供足夠的能量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，大初級(jí)峰值電流和大容量 CDD 都能讓 UCC28700 在恒流滿負(fù)載下成功啟動(dòng)。這些結(jié)果印證了上述分析。
圖 5：CDD=4.7μF，RCS=2.05Ω 時(shí)的 UCC28700 啟動(dòng)波形
圖 6：CDD=4.7μF，RCS=1.8Ω 時(shí)的UCC28700 啟動(dòng)波形
圖 7：CDD=1μF，RCS=1.8Ω 時(shí)的UCC28700 啟動(dòng)波形
5.結(jié)論
比較結(jié)果說明，UCC28700 器件在 CV 及 CC 調(diào)節(jié)、解決方案尺寸、待機(jī)功耗和 VDD 電容器值方面具有更優(yōu)異的特性。在本研究過程中，我們對(duì)初級(jí)峰值電流和 VDD 電容器進(jìn)行了分析計(jì)算。隨后根據(jù)等式選擇了適當(dāng)?shù)膮?shù)，然后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該分析。
6.參考資料
[1] 《UCC28700EVM-068 5-W USB適配器》。德州儀器用戶指南，SLUU968，2012 年 7 月。
[2]《支持一次側(cè)穩(wěn)壓的恒壓恒流控制器》。德州儀器 UCC2870x 產(chǎn)品說明書，SLUSB41，2012 年 7 月。